内容梗概
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人体動作形状記述を目的とする補間のための代表形状の選択


計算機性能の向上によるコンピュータグラフィックス(CG)技術の発達に伴い、計算機で3次元世界を構築することが容易になってきた。これによって、様々な3次元形状、特にその中でも、人体を計算機で表現することに対する必要性が高まっている。人体を計算機で表現することは、映画等の映像産業における CGアニメーションの生成だけにとどまらず、仮想空間を介した人と計算機とのコミュニケーションをより一層高めるための各種のインタフェースエージェントやアバタなどの実現に、大きな役割を担っている。

人体は多くの関節を持つ物体であり、各関節角度を変化させることによって姿勢を変え、様々な形状をとる。従来この形状変化を表現するために利用されてきた人体モデルは、人体を体節単位に分け、これを剛体とみなして、それらを互いに関節で接続したものであった。しかし、実際には人体の体節は剛体ではなく、姿勢の変化に伴って形状が柔軟に変化する。このため、従来の人体モデルでは、こうした人体の姿勢変化に伴う多様な形状変化を精度良く表現するのが難しかった。

そこで本研究では、人体を一つの柔軟物体としてモデル化する。このために、実際の人間の取る様々な姿勢における人体形状を観測して得られた形状を事例として蓄積し、この事例の集合によって様々に変化する人体形状を表現する。この際、記憶すべき事例数の削減を図るため、類似事例間の補間によって事例に含まれない形状を表現するとともに、逆にそのような補間によって表現し切れない形状のみを代表事例として蓄積するという手法を導入する。

具体的には、まず個々の事例を表現するための3次元形状モデルとして、パッチモデルを用いる。パッチモデルは、対象物体の表面形状を、辺で接続した多数の多角形パッチによって近似表現するもので、表現の自由度が高く、十分な数のパッチを用いれば、人体のような複雑な形状を精度よく記述できる。また、既存の高速グラフィック処理環境を利用すれば、対話処理への適用も容易である。

個々の事例を記述する際には、一般的な人体形状を表すパッチモデルを予め計算機側に用意し、これを観測によって得られた人体形状データに対して変形させる手法を用いる。この手法を用いることによって、各形状事例間の対応付けを一意に定め、パッチモデルで表現された形状事例間の適切な補間を実現する。人体の観測データには、シルエット画像を利用する。人体は3次元形状を持つが、3次元データの取得には、3次元計測装置などの特殊な環境が必要である。一方、シルエット画像は、実画像から背景差分などによって比較的容易に抽出が可能である。

本手法において蓄積すべき代表事例を選択するためには、事例の評価基準が必要となる。本研究では、まず形状間の補間方法として線形補間を利用し、これによる事例間補間によって生成された形状を、実際に観測により得られる対応形状のデータと比較評価し、両者の一致の度合いが良くない場合には、その形状を事例として追加するという方法により、最終的に獲得された事例の集合を代表事例とする。記述する人体形状の対象として一連の動作中の人体形状の系列を考える場合には、事例を追加する際の補間形状の評価として、その形状が実際に観測された形状と一致するかどうかに加え、補間によって生成される一連の形状系列が、一つのまとまった動作として不自然でない滑らかな形状変化を示すかどうかについても評価する。

本手法によって人体の腕の屈伸動作による形状変化を表現する実験を行った。実験データとして、実際に人間が腕を屈伸する様子を撮影して得られたシルエット画像の系列を用い、本手法を適用して人体の腕の形状が変化する様子を示すCGアニメーションを生成し、従来の関節モデルよりも自然な人体形状の変化を表現できるかどうかを検証した。その結果、実際のフレーム数に対して$1/7$% 程度の数の代表事例を用いることで、従来の関節モデルによる表現と比較して、より自然な関節部分の形状表現および筋肉の収縮による形状変化が実現され、本手法の有効性が確認された。


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